DE3610519A1 - Regeleinrichtung zur erhoehung des rad-anpressdrucks bei mehrraedrigen strassenfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung, welche der Verbesserung des Radanpreßdrucks jedes einzelnen Rades bei mehrrädrigen Straßenfahrzeugen mit der Zielsetzung einer Verbesserung der Bodenhaftung auf eisglatter oder wasserüberspülter Fahrbahn dient; insbesondre als Anfahrhilfe und zur Unterstützung eines etwa vorhandenen ABS-Bremssystems beim Bremsvorgang.

Die beschriebene Regeleinrichtung soll insbesondre dann den Bremsweg verkürzen, wenn die Pulsationen im System der ABS-Bremse mit den abwärtsgerichteten Vertikalschwingungen hoher Beschleunigung synchronisiert oder in ein harmonisches Abstimmungsverhältnis nach Fourier gebracht werden.

Es ist bekannt, daß der Beiwert der Haftreibung größer ist als der der Gleitreibung; anders ausgedrückt: das anfahrende bzw. abgebremste Rad eines Straßenfahrzeugs hat dann die größte Bodenhaftung, wenn es sich unmittelbar vor dem Schlupf, d. h. Durchdrehen beim Anfahren bzw. Blockieren beim Bremsen befindet.

Diesen physikalischen Effekt machen sich verschiedene Brems- Systeme mehrerer Hersteller zunutze, deren Aggregate sich unter dem Sammelbegriff ABS-Bremse subsummieren lassen.

Ebenso gibt es die Umkehrung des ABS-Systems unter Verwendung desselben physikalischen Prinzips: die elektronisch gesteuerte "Anti-Schlupf-Regelung" zur Verhinderung des Durchdrehens der Räder beim Beschleunigen.

Beiden Systemen ist gemeinsam eigen, daß Winkelgeber an allen Rädern den gerade anfallenden Drehwinkel pro Zeiteinheit untereinander und mit einem fahrzustandabhängigen Sollwert im Rechner vergleichen und so über ein geeignetes Steuerprogramm sichergestellt wird, daß an jedem Rad Schlupf sofort korrigiert wird und der optimale Arbeitspunkt herbeigeführt und gehalten werden kann.

Insofern ist bereits seit längerem Stand der Technik, die vorhandenen physikalischen Gegebenheiten der Reib-Paarung Reifen/Straßenoberfläche optimal, d. h. dicht vor der Schlupf- Grenze, am Punkt maximaler Strassenhaftung zu nutzen, dort nämlich, wo die Rollreibung nahezu übergangslos in die Gleit- Reibung übergeht.

Dieses oben kurz in seiner Funktion umrissene System hat jedoch einen Mangel:
Es kann die durch Reibung übertragbaren Kräfte zwischen Reifen und Strasse zwar maximal nutzen im Rahmen der physikalischen Möglichkeiten, nicht jedoch jene verstärken oder im Betrag steigern.
Überträgt jedes Rad das maximal mögliche Drehmoment durch seine Umfangskraft auf die Strasse, indem es am optimal errechneten Arbeitspunkt gehalten wird, dann ist eine weitere Leistungs-Zufuhr nicht möglich, ohne Schlupf zu erzeugen und so einen unkontrollierten Fahrzustand herbeizuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine geeignete Regeleinrichtung abwärtsgerichtete Vertikalschwingungen hoher Beschleunigung zu erzeugen, welche gestatten, beim Anfahren, Fahren und Bremsen höhere Kräfte als bisher auf die Strasse zu übertragen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch Erzeugung möglichst vieler nach unten gerichteter Vertikal- Bewegungen hoher Beschleunigung pro Zeiteinheit am Rad die Normalkraft, die durch jedes Fahrzeug auf die Strasse ausgeübt wird, verstärkt wird.

Da nun die Reibungs-Grundgleichung der schiefen Ebene gilt:

Widerstandskraft in Längsrichtung = Reib-Beiwert × Normalkraft

wird durch Verstärkung der Normalkraft gleichzeitig auch die - eben noch - ohne Schlupf auf die Strasse übertragbare Umfangskraft des Rades erhöht.

Hierbei müssen folgende Überlegungen gelten:
Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhältnisse dieser Vertikalbewegungen müssen, abgestimmt auf Masse, Federungskennlinie und Dämpfungsverhalten des schwingenden Systems "Rad" so gewählt werden, daß der normalkrafterhöhende Vektor des nach unten schwingenden Rad-Systems ungleich größer ist als der normalkraftverzehrende Vektor der wieder nach oben zurückschwingenden Rad-Baugruppe.
Dies läßt sich durch eine Kurve im v-t-Schaubild darstellen, deren Impuls etwa die Charakteristik einer Kippschwingung aufweist. (Fig. 1)
also: jähe, ungebremste Abwärtsbewegung
und: langsame, weich abgefangene Aufwärtsbewegung.

Die zugeordneten Beschleunigungsverhältnisse zeigt Fig. 2

Über eine Vielzahl von Pulsationen pro Sekunde läßt sich hier eine deutliche Steigerung der auf die Fahrbahn übertragbaren Kräfte erzielen.

Die Frequenz der Regeleinrichtung muß Federungs- und Dämpfungskennlinie der vorliegenden Rad-Dämpfung berücksichtigen, woraus sich die Rückstellkräfte des schwingenden Systems mit ergeben. Ebenso muß die gesamte Masse der Einzelrad-Baugruppe bekannt sein.

Es gilt dann:

m = Masse
D = Direktions- oder Rückstell- Kraft

Da nun einerseits eine möglichst hohe Vertikalschwingungs- Frequenz des Rades angestrebt wird, findet doch dieses Bestreben andererseits in dem dann überproportional ansteigenden Energieaufwand seine Grenzen. Durch das weiche Abbremsen des nach oben zurückschwingenden Rades wird außerdem soviel Zeit benötigt, daß bei vorgegebener Masse auch aus diesem Grunde der Frequenz nach oben Grenzen gezogen sind. Des weiteren dürfen Ausläufer besagter Schwingungen weder die Schweißnähte der Fahrzeugteile noch andere Aggregate auf die Dauer beeinträchtigen. Man wird also die Eigenfrequenz des schwingenden Systems "Einzelrad" ermitteln und eine hierzu harmonische Oberschwingung wählen.

Derartige anpreßdruckverstärkende Frequenzen sollen vor allem beim Anfahren und Bremsen herangezogen werden, im übrigen Fahrbetrieb jedoch nur bei Bedarf (etwa bei Eisglätte) zeitweise zugeschaltet werden.

Die Amplitude kann sehr gering sein; wenige Millimeter Weg sind bei entsprechend hoher Beschleunigung zur Verstärkung des Anpreßdrucks ausreichend.

Ein elektronisch gesteuertes und hydrodynamisch, elektromagnetisch oder elektromotorisch arbeitendes Regelsystem sorgt dafür, daß jedes Rad einzeln beim Anfahren, Rollen oder auch Bremsen durch - den normalen Fahrschwingungen überlagerte - Vertikalfrequenzen und dadurch erhöhten Anpreßdruck auch größere Umfangskräfte auf die Fahrbahn übertragen kann, insbesondre dann, wenn das Rad - wie bei ABS-Bremse und elektronischer Anfahrhilfe üblich - durch eine elektronische Regelung stets an der Schlupfgrenze gehalten wird.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondre darin, daß mit vertretbarem Aufwand an Energiebedarf und konstruktiven Maßnahmen bei Straßenfahrzeugen eine erhebliche Verkürzung des Bremswegs, insbesondre auf Glatteis, erzielt werden kann, ebenso eine Verbesserung des Anfahrverhaltens und der Steigfähigkeit auf Glätte, das heißt der Fahrsicherheit allgemein auf glattem oder nassem Untergrund.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, ein etwa bereits vorhandenes hydrodynamisches Federungs- und Dämpfungssystem durch geringe Erweiterungen auszubauen und mit integrieren zu können.

Ein zusätzlicher Vorteil besteht außerdem darin, daß der elektronische Aufwand minimal ist, da die Signale der bei ABS-Bremse und elektronischer Anfahrhilfe ohnehin benötigten Rad-Sensoren (Winkelgeber) dem oben beschriebenen System ebenfalls zugeführt werden: sobald ein Rad die Rollreibungs- Zone verläßt und sich der Gleitreibung nähert, setzt die Verstärkung der Bodenhaftung unverzüglich ein.

Fig. 3 zeigt die Prinzipdarstellung einer hydrodynamischen Schwingungserregung, wobei ein vorhandenes ölhydraulisches Dämpfungssystem mit dieser Aufgabe zusätzlich betraut wird.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel des zugehörigen Ablauf-Diagramms

Weitere Möglichkeiten, Schwingungen an der Radaufhängung hervorzurufen, können z. B. durch Elektromagnete, oder aber elektromotorisch mittels Nockenscheiben, Steuerkurven, Kurbeltrieb, ja sogar durch Linearmotor verwirklicht werden.

Weitere kombinierte Methoden sind ebenfalls möglich.

Grundsätzlich - auch aus Gründen der Impedanz - kann ein derartiges Schwingungssystem auch - mehrfach ausgelegt - peripher an das einzelne Rad verlegt werden, als komplettes Aggregat einschließlich Steuerung.

Claims (7)

1.0 Regeleinrichtung zur Erhöhung des Rad-Anpreßdrucks bei mehrrädrigen Straßenfahrzeugen zum Zwecke der Verbesserung der Bodenhaftung auf extrem glatter Fahrbahn dadurch gekennzeichnet, daß an jedem abrollenden Rad, gleichzeitig oder je nach vorgegebenem Steuerprogramm, durch ein elektronisch gesteuertes und hydrodynamisch (oder auch z. B. elektromagnetisch, elektromotorisch etc.) arbeitendes Regelsystem die Drehbewegung jedes Rades durch mittel- oder hochfrequente Vertikalschwingungen überlagert und so der Anpreßdruck der Paarung Reifen/Straßenoberfläche gesteigert wird, wodurch zeitweise eine verbesserte Bodenhaftung des Fahrzeugs erreicht und ggf. der Bremsweg verkürzt wird.

2.0 Regeleinrichtung zur Erhöhung des Rad-Anpreßdrucks nach Anspruch 1.0 dadurch gekennzeichnet, daß Frequenz und/oder Amplitude an jedem der einzelnen Räder je nach Rollgeschwindigkeit und/oder relativer Winkelgeschwindigkeit (Schlupf) in Relation zur Fahrbahn individuell moduliert wird.

3.0 Regeleinrichtung zur Erhöhung des Rad-Anpreßdrucks nach Anspruch 1.0 dadurch gekennzeichnet, daß Frequenz und/oder Amplitude zentral moduliert, jedoch mit individueller zeitlicher Phasenverschiebung je nach dem Verhältnis Winkelgeschwindigkeit des einzelnen Rades/Zeiteinheit zu der aller anderen beteiligten Räder oder jedes einzelnen Rades gewählt werden.

4.0 Regeleinrichtung zur Erhöhung des Rad-Anpreßdrucks nach Anspruch 1.0 dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere hydrodynamische Bauelemente wie z. B. Pumpen, durch weitere geeignete Bauteile wie z. B. Ventile, Schieber oder Taktgeber gesteuert, periodische Druckschwingungen im Leitungssystem zu den Rädern erzeugen, welche dort durch abermals geeignete Bauelemente wie z. B. einfach- oder doppeltwirkende, mit der Baugruppe Rad verbundene Druckzylinder in periodische Vertikalschwingungen umgesetzt werden, welche die Bodenhaftung erhöhen.

5.0 Regeleinrichtung zur Erhöhung des Rad-Anpreßdrucks nach Anspruch 1.0 dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der Druckschwingungen, welche entweder die Parameter Frequenz, Amplitude oder aber ein kombiniertes System beider variabler Größen zum Gegenstand hat, entweder nach Art einer Halbwelle abwechslungsweise zum Höchstwert anschwellend und dann wieder gegen Null gehend oder aber nach Art einer Sinuslinie mit Druck und Gegendruck, notfalls in zwei getrennten Leitungssystemen, gewählt wird.

6.0 Regeleinrichtung zur Erhöhung des Rad-Anpreßdrucks nach Anspruch 1.0 dadurch gekennzeichnet, daß anstelle bisher verwendeter hydraulischer Rad-Dämpfungselemente wie z. B. sog. "Stoßdämpfer" ein Bauteil in der Grundform des doppeltwirkenden Zylinders Verwendung findet, bei dem die hinzukommende konventionelle Aufgabe der Einzel-Raddämpfung in einem weiteren Rechnerprogramm beliebiger Komplexität zusätzlich überlagert werden kann. (Fig. 3)

7.0 Regeleinrichtung zur Erhöhung des Rad-Anpreßdrucks nach Anspruch 1.0 dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronisch gesteuertes, aber elektromagnetisch oder elektromotorisch agierendes, am jeweiligen Rad angebrachtes Bauelement nicht nur die der Rad-Einfederung zu überlagernden Vertikalschwingungen erzeugt, sondern gleichzeitig auch die bekannte Dämpfungskennlinie erzeugt und so unerwünschte Radschwingungen dämpft.